På 1960-talet ungefär 50 år efter att den tyske forskaren Alfred Wegener föreslog sin hypotes om kontinentaldrift, Teorin om plattektonik gav forskarna en samlande ram för att beskriva den storskaliga rörelsen hos ytplattorna som utgör jordens litosfär – ett ramverk som sedan revolutionerade geovetenskaperna.

Hur dessa plattor rör sig runt jordens yta styrs av rörelse i manteln - vars drivkraft är konvektion på grund av termiska anomalier, med sammansättningsmässig heterogenitet också förväntad. Dock, den tekniska utmaningen att visualisera strukturer inuti en optiskt ogenomtränglig, 6, 371-kilometer-radius bergsfär har gjort förståelsen av mantelns sammansättning och termiska tillstånd, såväl som dess dynamiska utveckling, en långvarig utmaning inom geovetenskap.

Nu, i en tidning som publicerades idag i Naturkommunikation , forskare från MIT, Imperial College, Rice University, och Institute of Earth Sciences i Frankrike rapporterar direkta bevis för laterala variationer i mantelsammansättningen under Hawaii. Resultaten ger forskare viktiga nya insikter om hur jorden har utvecklats under sin 4,5 miljarder år långa historia, varför är det som det är nu, och vad detta betyder för steniga planeter på andra håll.

Kompositionsvariation

Forskare behandlar manteln som två lager - den nedre manteln och den övre manteln - åtskilda av ett gränsskikt som kallas mantelövergångszonen (MTZ). Fysiskt, MTZ begränsas av två seismiska hastighetsdiskontinuiteter nära 410 km och 660 km djup (kallas 410 och 660). Dessa diskontinuiteter, som beror på fasövergångar i silikatmineraler, spelar en viktig roll för att modulera mantelflödet. Laterala variationer i djup till dessa diskontinuiteter har använts i stor utsträckning för att sluta sig till termiska anomalier i manteln, som mineralfysik förutspår en grundare 410 och en djupare 660 i kalla områden och en djupare 410 och en grundare 660 i varma områden.

Tidigare petrologiska och numeriska studier förutsäger också sammansättningssegregering av basaltiskt och harzburgitiskt material (och därmed sammansättningsheterogenitet) nära basen av MTZ i de relativt varma lågviskösa miljöerna nära manteluppgångar. Men observationsbevis för en sådan process har varit få.

Den nya studien, dock, visar tydliga bevis för lateral variation i sammansättning nära basen av MTZ nedanför Hawaii. Dessa bevis kan ha viktiga implikationer för vår allmänna förståelse av manteldynamik.

Som huvudförfattare Chunquan Yu Ph.D. '16, en före detta doktorand i Hilst Group vid MIT som nu är postdoc vid Caltech, förklarar, "Vid medelhavsryggarna, plattseparation resulterar i stigande och partiell smältning av mantelmaterialet. En sådan process orsakar differentiering av den oceaniska litosfären med basaltmaterial i skorpan och harzburgitiska rester i manteln. När den differentierade oceaniska litosfären svalnar, den sjunker tillbaka in i manteln längs subduktionszonen. Basalt och harzburgit är svåra att separera i kalla miljöer. Dock, de kan segregera i relativt varma lågviskösa miljöer, såsom nära manteluppgångar, potentiellt utgöra en viktig källa till sammansättningsheterogenitet i jordens mantel."

Ser med jordbävningar

För att utforska denna idé, Yu och hans kollegor använde en seismisk teknik som involverade analys av undersidans skjuvvågsreflektioner från manteldiskontinuiteter – kända som SS-prekursorer – för att studera MTZ-strukturer under Stilla havet runt Hawaii.

"När en jordbävning inträffar, den utstrålar både kompressions- (P) och skjuvvågsenergi (S). Både P- och S-vågor kan reflekteras från gränssnitt i jordens inre, " Yu förklarar. "Om en S-våg lämnar en källa nedåt och reflekteras på den fria ytan innan den anländer till mottagaren, det kallas SS. SS-prekursorer är undersidan av S-vågsreflektioner från manteldiskontinuiteter. Eftersom de färdas längs kortare strålvägar, de är föregångare till SS."

Genom att använda en ny seismisk arrayteknik, teamet kunde förbättra signal-brusförhållandet för SS-prekursorerna och ta bort störande faser. Som ett resultat, mycket mer data som annars skulle ha kasserats blev tillgängliga för analys.

De använde också så kallad amplitud kontra offset-analys, ett verktyg som används i stor utsträckning inom prospekteringsseismologi, för att begränsa elastiska egenskaper nära MTZ-diskontinuiteter.

Analysen finner starka laterala variationer i radiella kontraster i massdensitet och våghastighet över 660 medan inga sådana variationer observerades längs 410:an. lagets termodynamiska modellering, längs ett intervall av manteltemperaturer för flera representativa mantelkompositioner, utesluter ett termiskt ursprung för de antagna laterala variationerna i elastiska kontraster över 660. Istället de antagna 660 kontrasterna kan förklaras av lateral variation i mantelsammansättning:från genomsnittlig (pyrolytisk; cirka 60 procent olivin) mantel under Hawaii till en blandning med mer smältutarmad harzburgit (cirka 80 procent olivin) sydost om hotspot. Sådan sammansättningsheterogenitet överensstämmer med numeriska förutsägelser om att segregering av basaltiskt och harzburgitiskt material kan inträffa nära basen av MTZ nära varma djupa manteluppströmmar som den som ofta åberopas för att orsaka vulkanisk aktivitet på Hawaii.

"Det har föreslagits att sammansättningssegregation mellan basalt och harzburgitiska material skulle kunna bilda ett gravitationsmässigt stabilt lager över basen av MTZ. Om så är fallet kan det ge ett filter för platta nedgångar och uppgångar med lägre mantel, och därmed starkt påverka sättet för mantelkonvektion och dess kemiska cirkulation, säger Yu.

Denna studie presenterar en lovande teknik för att få begränsningar för den hittills svårfångade fördelningen av sammansättningsheterogenitet inom jordens mantel. Kompositionssegregation nära basen av MTZ har förväntats sedan 1960-talet och bevis för att denna process verkligen inträffar har viktiga konsekvenser för vår förståelse av jordens kemiska utveckling.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.